激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

微波辐射计与探空仪测值对比分析

利用武汉站高时空分辨力探空资料(3h,30m)与同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了微波辐射计探测偏差的日变化及时间序列变化特征。结果表明,微波辐射计对大气要素的探测具有较高的探测准确度,但仍然存在一定的探测偏差。温度的探测偏差大值区出现在午后,相对湿度及水汽密度的探测偏差大值区则在凌晨;温度及相对湿度探测误差的时间序列表现为起伏较大,而水汽密度则相对平稳,降水,特别是强降水,会对微波辐射计的探测准确度产生较明显的影响。     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据,将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配,共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线,定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好,地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异,但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好,并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气,温度相关性最好,水汽密度次之,相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度,发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠,对于需要间接计算的大气物理量,如K指数、有效位能、积分水汽含量等,使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作,对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

地基微波辐射计反演水汽密度廓线精度分析

以探空水汽廓线为标准,对00:00UTC、12:00UTC北京南郊(39.93°E,116.28°N)观测站的微波辐射计水汽廓线与WRF(Weather ResearchForecasting Model)模拟的水汽廓线进行精度分析。结果表明,整体上WRF水汽密度接近探空,但在近地面处微波辐射计的更接近探空;水汽密度偏差在夏季较大冬季较小;微波辐射计的水汽密度在3km左右偏大,根据北京地区历史天气记录中有中云的天气较多的信息,推测可能是由于云对微波辐射计反演有影响。06:00UTC和18:00UTC以WRF水汽廓线为参考对微波辐射计的水汽廓线进行精度分析,得到的结果与00:00UTC和12:00UTC的类似。     

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明：基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402 ℃、2.607 ℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m3、0.369 g/m3。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。     

降水对地基微波辐射计反演误差的影响

利用武汉站高时间(3h)、高空间垂直(30m)分辨率探空资料和MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了降水对地基微波辐射计反演误差的影响,并对微波辐射计和探空的要素廓线进行了对比分析。结果表明,降水对两种设备的温度廓线和水汽密度廓线的相关性无明显影响,但对相对湿度廓线的相关性有较为明显的影响,其相关性在有降水时好于无降水时;整体上,微波辐射计的廓线误差在降水时大于无降水时,其温度、相对湿度和水汽密度廓线的平均偏差均值分别在1.0～2.5℃,6%～15%和0.08～1.75g.m-3之间,对应的均方差均值分别在1.3～1.6℃,14%～17%和1.28～1.85 g.m-3之间。另外,将不同高度上同时刻微波辐射计和探空的资料进行点对点对比发现,降水会严重破坏两种资料的正相关性,导致大部分高度上的廓线呈负相关,同时也明显增加了温度和水汽密度的平均偏差和均方差。     

基于地基微波辐射计资料对成都双流机场两次雷雨过程的分析

利用地基微波辐射计资料,比较了2017年7月成都双流机场的两次雷雨过程,根据天气形势分为"两高切变"和"东高西低"2类,在此基础上分析微波辐射计要素变化特征,结果表明:在垂直方向0～10 km,以相对湿度达到80%来区分干区和湿区,则两次过程前3 h,相对湿度在垂直方向均呈现"上下干、中间湿"三层结构,并早于近地层前2 h达到饱和状态;过程期间相对湿度呈现"上干、下湿"两层结构;过程结束后湿层抬高,低层变干。两次过程水汽含量充沛,保持在70 kg/m~2以上,峰值超过85 kg/m~2。每一次中阵雨发生后水汽含量都会短暂回落,但仍高于过程前的数值,不足2 h后再次发生中阵雨。由0℃线高度变化可知,降水过程中,暖区(温度≥0℃)内相对湿度≥90%;云中液态水含量主要分布于6 km以下,温度在0℃以上的液态水占比很高,故两次过程以暖云降水为主。雷雨前1 h左右有"低层气温上升,0℃层抬升,K指数、CAPE指数也明显增大"的典型特征。降水发生在相对湿度、水汽总含量、云中液态水含量和稳定度指数快速增长的波峰中。     

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计反演产品评估

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计采用“多通道并行测量技术”,性能稳定,反演精度高。应用该微波辐射计和常规L波段探空数据,比较了微波辐射计反演数据与探空测值的差异。结果表明：温度、水汽密度与常规探空资料比较有很好的线性相关性,对仪器维护后可以提高数据质量;相对湿度数据离散度较高。比较无降水时不同高度下微波辐射计反演数据的精度,温度在1 000 m以下低层平均误差和均方根误差较小;水汽密度的平均误差和均方根误差均为近地面较大,随高度而减小;相对湿度的平均误差和均方根误差都明显较大,温度和水汽密度的准确性高于相对湿度。降水时不同高度的温度、水汽密度和相对湿度的平均误差和均方根误差变化趋势均与无降水时相似,但是误差值明显偏大;降水时反演温度在2 000 m以下误差较小,水汽密度在3 000 m以下反演值较探空测值大,相对湿度在降水时的误差较大。     

台风天气条件下地基微波辐射计反演产品精度分析

利用中国气象局上海台风研究所台风试验获取的4个典型台风个例数据,对地基微波辐射计反演的温度、水汽密度廓线与同址GPS探空资料得到的廓线进行对比分析,发现二者的温度、水汽密度相关系数分别为0.988、0.928。微波辐射计的探测精度在不同高度上有很大差异,整体来说,在高层温度探测精度较优于低层,而在低层水汽密度探测精度较优于高层。进一步研究表明,探测水汽密度精度与降水强度存在显著的正相关,而与风速及相对台风位置没有明显的关系。经计算,21组水汽密度廓线均方根误差与对应时段降雨强度的相关系数为0.912。本研究定量化地展示了微波辐射计在台风天气条件下对温度的探测精度相对比较高,且对水汽密度的观测质量有一定的可靠性和可用性,这一研究为今后将微波辐射计用于观测台风、锋面等强对流天气系统的大气温度湿度结构提供可靠性依据。     

用微波辐射计和风廓线资料构建探空资料的定量应用可靠性分析

使用2007、2008年5～9月北京南郊观象台的微波辐射计探测的温湿度数据和风廓线仪探测的水平风数据构造特种探空资料,将其与常规探空进行统计和对比分析,探讨了它们定性和定量应用的可靠性.结果表明,特种探空的各要素与常规探空具有较一致的变化趋势,定性分析使用时可有效弥补常规探空时间分辨率低的不足.但是,在定量使用过程中,对不同要素需区别对待:(1)特种探空的温度和经向风、纬向风的一致性好、误差较小,具有较好的定量使用价值;由于微波辐射计探测的相对湿度误差较大,造成特种探空的露点温度与常规探空的一致性较差、偏大明显;定量使用时需要订正.(2)不同时次和不同高度各要素的表现不同,08时(北京时间,下同)和20时的一致性好于02时和14时,这可能与样本数的差异和要素的日变化特征等因素有关;露点温度和纬向风的平均误差随高度增加明显增大,温度和经向风的平均误差随高度增加变化不大.(3)由特种探空得到的热力、动力稳定度参量,除粗理查逊数外,其他参量与常规探空计算得到的参量具有较一致的变化趋势,在定性使用上是有价值的.在定量使用时,需要视参量包含的温度、湿度、风等基本要素的误差程度而定.其中,与湿度相关的参量,如CAPE(对流有效位能)、Δθse(500 hPa与850 hPa的假相当位温θse之差)、K指数、湿度垂直梯度和温度露点差等参量存在不同程度的误差,而仅与温度廓线、低空风廓线相关的参量,如垂直温度梯度、0℃和-20℃层高度、低空垂直风切变等参量的绝对误差很小,具有很好的定量使用价值.     

不同时次地基微波辐射计反演产品评估

利用北京大型活动期间探空和微波辐射计资料,采用统计方法进行评价分析,目的是了解该型微波辐射计的性能。结果表明:①总体平均:对温度,有降水时误差变化范围大,无降水时相对比较小,比较平稳;无降水时比有降水时更接近于探空观测结果。对相对湿度,误差的变化与温度比较相似,但从相对误差的变化来看,有降水时比无降水时小。无降水时反演的相对湿度与探空的比较一致。②不同时次:对温度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势一致;有降水时的规律相对较差。无降水时,20:00误差比较小,比较接近探空;14:00误差比较大。有降水时,各时次误差比无降水时大,反演的20:00温度变化曲线与探空最接近。对相对湿度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势较一致;有降水时的规律性相对比较差。总体来看,降水对微波辐射计影响较大,反演的20:00的资料误差小一些,5000m高度上下误差变化比较大,与云层有关。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明：(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0～2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明：晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

不同天气条件下地基微波辐射计探测性能比对

利用探空数据和毫米波云雷达数据,对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析,重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明:3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98,达到0.01显著性水平;晴空条件下,德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差,后者为正偏差）,误差较小,美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃;3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增,整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小,美国地基微波辐射计3.8℃为最大;在有云条件下,3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化,均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差,低空误差小于中高空误差的特点;晴空条件下,美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右,小于德国地基微波辐射计;云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。     

模式再分析与实际探空资料的对比分析

利用2007年11月—2008年11月美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料与阜阳和安庆探空站的高空资料,对NCEP资料进行垂直的拉格朗日插值和水平的双线性插值后,对比分析了模式再分析与探空资料的一致性。结果表明:探空资料和NCEP资料中温度、相对湿度、u风和v风4种气象要素的绝对差值随地点、高度和季节变化较小,0.5～8 km基本稳定在一定的范围内:温度相差0.5～1.0℃,相对湿度相差5%～15%,u风和v风分别相差1～3 m/s和1～4 m/s。但值得注意的是近地面(0.5 km以下)二者差异相对较大。对比结果验证了利用模式探空资料来分析无实际探空资料地区上空气象参量变化特征的可行性。     

基于地基微波辐射计对武汉夏季暴雨过程的观测分析

利用地基微波辐射计获取的高时空分辨率资料,结合卫星云图资料,对2012年7月12—13日武汉站发生的暴雨过程中各气象要素与降水的关系进行了分析。结果表明:(1)相对湿度、液态水含量、不稳定能量的值和其大值区所在的垂直高度在降水期均明显大于非降水期,说明这些要素变化特征与降水有较好的对应关系,应用地基微波辐射计资料要素分析降水过程具有很高的可靠性。(2)以小时雨量10 mm将降水分界为弱降水和强降水时段。云底高度在强降水时段才为零;温度的垂直分布在降水时段存在逆温,且强降水比弱降水时段逆温层更高;水汽密度在有降水发生时,底层的大值区有所抬升,并在强降水时段对流层低层出现26 g/m3的大值中心。可以通过地基微波辐射计对降水做进一步的量级划分,有助于明确雨团性质和降水效率。     

地基微波辐射计网络资料处理系统设计及实现

青海省三江源自然保护区项目利用三台地基微波辐射计(12～20通道)用于人工增雨工程,为了有助于在增雨作业过程中快速、直观、准确掌握整个区域内天气状况,设计了微波辐射计网络资料处理系统。整个系统包括观测站以及中心站数据库设计、观测数据上传和入库以及用户查询显示终端程序。该系统的建立采用结构化程序设计,方便后续功能扩展,用DELPHI 7作为应用程序的开发工具,用Microsoft SQL 2000做数据库,已实现数据格式转换、数据资料的实时传输、自动入库、原始数据及气象产品的查询、输出及单站产品多方式显示等功能。经过半年多软件测试实验,系统整体运行良好。     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400Mhz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0—10000m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的原因,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况,认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好。     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400 MHz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0～10000 m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的因为,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况.认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好.